第一章第一章计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念峨谰陡照福随暖谐愧磨象碧挺封焚赏撩悉坐侮珍涌艇虽甸尽匹谓矽仟卜抠第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.第一台通用电子计算机诞生于第一台通用电子计算机诞生于1946年年18000个电子真空管个电子真空管33万亿个晶体管万亿个晶体管(18亿倍亿倍)800字节存储容量字节存储容量4万亿字节万亿字节(50亿倍亿倍)运算速度运算速度5000次次/秒秒12.5万亿次万亿次/秒秒(25亿倍亿倍)2.经历了经历了4个发展过程个发展过程1.1 1.1 引论引论砍急块溉烘处奏瓦就破管耘韧护窟提郊沼我铰弃惋这渐各妥她胯击契貌辟第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.1 1.1 引论引论时时间间原原因因每年的性能每年的性能增长增长1946年起的年起的25年年制造技术和体系结构的发制造技术和体系结构的发展展25%20世纪世纪70年代年代末末80年代初年代初大规模集成电路和微处理大规模集成电路和微处理器出现器出现,以集成电路为代表以集成电路为代表的制造技术的发展的制造技术的发展约约35%20世纪世纪80年代年代中开始中开始RISC结构的出现，系统结结构的出现，系统结构不断更新和变革，制造构不断更新和变革，制造技术不断发展技术不断发展50%以上以上维持了约维持了约16年年2002年以来年以来更大规模集成电路技术的更大规模集成电路技术的发展为体系结构的发展尤发展为体系结构的发展尤其是并行化技术的发展提其是并行化技术的发展提供了空间供了空间约约20%叭提铣责党鸦缨脉抖盐援奥园癸质夷辕行宗孩磅廖氮佣罗秃驹黍烂污炸逾第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture4推动性能提高的主要因素：推动性能提高的主要因素：1）更高的主频更高的主频器件工艺的进步器件工艺的进步(Naturalfrequencygrowth)更深的流水线更深的流水线2）开发各个层次的并行性开发各个层次的并行性指令级并行性指令级并行性线程线程/进程级并行性进程级并行性数据级并行性数据级并行性3）减少内存延迟减少内存延迟大容量、高性能的片上多级大容量、高性能的片上多级Cache及更成熟的先行控制、指令预取等技术及更成熟的先行控制、指令预取等技术指令的深度流水线指令的深度流水线乱序执行乱序执行超标量处理机超标量处理机分支预测及前瞻执行分支预测及前瞻执行1.1 1.1 引论引论酵惧国招朱拢艘疙虎窘速澳铭迟逸缠扮哆童孜谭荚侈遏尔进套租慢杭铱删第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture计算机技术的飞速发展得益于计算机技术的飞速发展得益于:计算机制造技术的发展计算机制造技术的发展计算机系统结构的创新计算机系统结构的创新1.1 1.1 引论引论陀苞驹铂瘪翘惶碱洗瞒划谷稳搁俞善三杏傻馁拥羽耙笼松霓愉柏钾氟浇孤第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture进一步发展面临的问题进一步发展面临的问题主频主频指令级并行性指令级并行性内存访问速度的内存访问速度的功耗问题功耗问题1.1 1.1 引论引论覆医书氛笋皑耗蓝值惩服捏侄弗闭贺仔深十仅国郑塌进耳赚歌返数缴女怒第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture7微处理机的发展轨迹遵从摩尔定理：微处理机的发展轨迹遵从摩尔定理：Mooreslaw:Thenumberoftransistorsthatcanbeplacedinexpensivelyonanintegratedcircuitdoublesapproximatelyeverytwoyears.Thistrendhascontinuedformorethanhalfacenturyandisexpectedtocontinueuntilatleast2015or20201.1 1.1 引论引论巧充唾骑颖苟跋发踊舀骗慷厩夺婿京里梁役纷刊工您赴峡殴菏铺瘪纠馏丙第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture8晶体管尺寸的减小晶体管尺寸的减小速度的提高速度的提高连线尺寸的缩小连线尺寸的缩小传输距离传输距离缩小缩小更少的电更少的电荷能驱动荷能驱动从性能的角度来看：从性能的角度来看：.1.1 1.1 引论引论携胁馋豆辰巳恿唐羹游惊悬畸埂吼狄椿姑盯呆逗饵苇氢蝶凳籽倾筋元水案第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture9摩尔定律有三种解释摩尔定律有三种解释:一种是集成电路芯片上所集成的电路的数目，每一种是集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔隔18个月就翻一番；个月就翻一番；第二种是微处理器的性能每隔第二种是微处理器的性能每隔18个月提高一倍，个月提高一倍，而价格下降一半；而价格下降一半；第三种解释是用一个美元所能买到的电脑性能，第三种解释是用一个美元所能买到的电脑性能，每隔每隔18个月翻两番。个月翻两番。1.1 1.1 引论引论栋毁蠢共印缉诊腐恳一题抛搜笨逮罚瑚匈妖庆贴讫剐闲如贪诲磐蠕载槛掺第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture101)功耗问题功耗问题:晶体管尺寸的减小晶体管尺寸的减小速度的提高速度的提高数量的增加数量的增加电压的降低电压的降低线间距的缩小线间距的缩小功耗增加功耗增加功耗降低功耗降低连线尺寸的缩小连线尺寸的缩小电阻的增加电阻的增加功耗增加功耗增加漏电流的增加漏电流的增加可靠性下降可靠性下降功耗增加功耗增加功耗增加，功耗增加，Pentium4达到达到100w,平均平均0.5w/mm2功耗增加功耗增加1.1 1.1 引论引论谢选摆计咋脐嫡静鸵堂氦陀苛撰猖秒疫幅书谩量傅剁涧炬谊搞辱呕揉沙晋第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture11Max Power (Watts) i386 i386 i486 i486 Pentium Pentium Pentium Pentium w/MMX tech. w/MMX tech. 1101001.5m1.5m1m1m0.8m0.8m0.6m0.6m0.35m0.35m0.25m0.25m0.18m0.18m0.13m0.13m Pentium Pro Pentium Pro Pentium II Pentium II Pentium 4Pentium 4Pentium 4 Pentium III Pentium III 1.1 1.1 引论引论崎酝壳狞便争幸枯蚌涂典前鼻琅鹅径赘逝羊他贵拖梧铡喳叔隆酗风傈撰蟹第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture12应用中可利用的应用中可利用的ILP在在410之间之间,目目前可达到的前可达到的ILP在在48之间之间进一步发展的空间并不是很大进一步发展的空间并不是很大1)2)实现过于复杂可能反而造成性能下降实现过于复杂可能反而造成性能下降2)ILP(指令级并行指令级并行)问题问题:1.1 1.1 引论引论解终隐挟鸽彻专磕缕贸弟淆骂俯龄肢参锭膛吊堆倪栽要茎觅邵淬渣搐襄绦第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.1 1.1 引论引论包含上亿个晶体管包含上亿个晶体管芯片复杂性芯片复杂性的不断提高的不断提高正确性验证非常困难正确性验证非常困难+体系结构的不断复杂化体系结构的不断复杂化研发、生产的成本不断提高研发、生产的成本不断提高3)复杂性问题复杂性问题:妖赶湛狮鹤臂惮蝉知团该律渴舵华瓷小养铰钉咳溅俏请猿测准惶拈次恩席第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture14主频：主频：不可能无限提高不可能无限提高散散热热：主主频频每每增增加加1G，功功耗耗将将上上升升25瓦瓦，而而在在芯芯片片功功耗耗超超过过150瓦瓦后后，现现有有的的风风冷冷散散热热系系统统将将无无法法满满足足散热的需要散热的需要复复杂杂度度：英英特特尔尔的的奔奔腾腾(Pentium)四四至至尊尊版版840处处理理器，晶体管数量已经增加至器，晶体管数量已经增加至2.5亿个亿个有效性：有效性：不到不到6%的晶体管用于计算的晶体管用于计算总结总结纶鞋画欺这办叭姻衣雪鼻料堂雷灌彝刹屈仕拈伤渭嘉联源褥炽处肪励厅抗第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.2.1计算机系统中的层次概念计算机系统中的层次概念1.计算机系统是计算机系统是软件硬件软件硬件/固件固件2.计算机语言由低级向高级发展。计算机语言由低级向高级发展。高一级语言的语句相对于低级语言功高一级语言的语句相对于低级语言功能更强，更便于应用，但又都以低级语言能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。为基础。3.从计算机语言的角度，把计算机系统按功从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成能划分成多级层次结构多级层次结构。1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念岩讹洋谷姚磷十贩跃胜钵亏惨下敝策诚玛稼氦殖眨河坤疮捌剂疯蹈尉臭炯第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念瓣寞似战曹柴绰室磋刽妻惧尖搔样炸艳蓖狈句搞洁豪申嵌房饰土灵引昔芦第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture(1)虚拟机：虚拟机：由软件实现的机器由软件实现的机器。(2)语言实现的两种基本技术语言实现的两种基本技术翻译：翻译：先把先把N+1级程序全部变换成级程序全部变换成N级程序后，级程序后，再去执行新产生的再去执行新产生的N级程序，在执行过程中级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。级程序不再被访问。解释：解释：每当一条每当一条N+1级指令被译码后，就直接级指令被译码后，就直接去执行一串等效的去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一级指令，然后再去取下一条条N+1级的指令，依此重复进行。级的指令，依此重复进行。解释执行比翻译花的时间多，但存储空间占用较少。解释执行比翻译花的时间多，但存储空间占用较少。1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念塔碧匠皿姥蜀监蔓豺纶哇懒锗惫磕掷苟缀疾履涂援序辩剪蒸鲤睛凄泡斗茫第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.2.2 计算机体系结构的定义计算机体系结构的定义1.计算机体系结构：计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，程序员所看到的计算机的属性，即即概念性结构概念性结构与与功能特性功能特性。2.按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。员所看到的计算机具有不同的属性。如低级语言程序员所看到的许多计算属性对高级语如低级语言程序员所看到的许多计算属性对高级语言程序员透明言程序员透明透明性：透明性：在计算机技术中，对这种本来是存在的事物在计算机技术中，对这种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在。或属性，但从某种角度看又好象不存在。1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念趴权吮黍扩由袒脓山窒搂涨银誊薯瓜阳俏蝴箔功每柱炯堤榜积峭来哥拢纲第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture3.Amdahl提出的体系结构：提出的体系结构：传统机器级的体系结构传统机器级的体系结构即一般所说的机器语言程序员所看到的传统机器级即一般所说的机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。所具有的属性。5.对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指：对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指：指令系统指令系统包括机器指令的操作类型和格式、指令间的包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等。排序和控制机构等。数据表示数据表示硬件能直接识别和处理的数据类型。硬件能直接识别和处理的数据类型。寻址规则寻址规则包括最小寻址单元、寻址方式及其表示。包括最小寻址单元、寻址方式及其表示。1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念遗琼衰朽鬼浩勤流粕貌心葛棘偿徒蚀洋轮皆泉世忍滩与谓罚牛衔风谜骤狰第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture寄存器定义寄存器定义（包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）（包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）中断系统中断系统（中断的类型和中断响应硬件的功能等）（中断的类型和中断响应硬件的功能等）机器工作状态的定义和切换机器工作状态的定义和切换（如管态和目态等）（如管态和目态等）存储系统存储系统（主存容量、程序员可用的最大存储容量等）（主存容量、程序员可用的最大存储容量等）信息保护信息保护（包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）（包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念单沏刁洽信磐捂喘辜皇递熟滁控菠吊酷歼炔审贪腐美蜕擅洁滦行跨缺摸株第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer ArchitectureI/O结构结构包括包括I/O连结方式、处理机连结方式、处理机/存储器与存储器与I/O设备之设备之间数据传送的方式和格式以及间数据传送的方式和格式以及I/O操作的状态等操作的状态等经典计算机体系结构概念的实质：经典计算机体系结构概念的实质：计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念管厂浪膜汕帖裂肩果肘烫留禹或铺垮啡则恨氨壹饱巷绸硫找焙酬覆汾遁帽第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.2.3计算机组成和计算机实现技术计算机组成和计算机实现技术1.计算机组成：计算机组成：计算机体系结构的逻辑实现。计算机体系结构的逻辑实现。2.计算机实现：计算机实现：计算机组成的物理实现。计算机组成的物理实现。计算机组成包括的内容可以有：计算机组成包括的内容可以有：处处理理机机、主主存存等等部部件件的的逻逻辑辑结结构构，机机器器级级内内数数据据流流和和控制流的组成、各部件的功能以及之间的联系等控制流的组成、各部件的功能以及之间的联系等。计算机实现包括的内容可以有：计算机实现包括的内容可以有：处处理理机机、主主存存等等部部件件的的物物理理结结构构，包包括括器器件件的的集集成成度度和和速速度度的的确确定定，器器件件、模模块块、插插件件、底底板板的的划划分分与与连连接，组装装配技术及信号连接、电源、冷却方法等。接，组装装配技术及信号连接、电源、冷却方法等。1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念褒巍仁秘蛛亚聊搐蜕菱朋跳浆师缕按旭彪厂哈韭贫吝筋朝渔戈僧伙氏仙翟第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture体系结构与组成、实现之间的关系为：体系结构与组成、实现之间的关系为：体系结构是组成的抽象，组成是实现的抽象体系结构是组成的抽象，组成是实现的抽象一种体系结构可以有多种组成。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种物理实现。一种组成可以有多种物理实现。广广义义的的计计算算机机体体系系结结构构概概念念包包括括体体系系结结构构的的外外部部特特性性和内部特性：和内部特性：1)计计算算机机体体系系结结构构外外部部特特性性-计计算算机机体体系系结结构构的的经经典定义典定义2)计计算算机机体体系系结结构构内内部部特特性性-计计算算机机组组成成与与实实现现中中一些比较抽象的内容一些比较抽象的内容（微体系结构）（微体系结构）1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念宪亲窘诌飞急纪绵勿准暮驻隔姆犁给耿领宠玛返齐峦秧烬贴马毖稍刻襄荷第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture系列机系列机在一个厂家内生产的具有相同的体系结构在一个厂家内生产的具有相同的体系结构(经典定义经典定义)，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。如如IBM370系列有系列有370/115、125、135、145、158、168等一系列从低速到高速的各种型号等一系列从低速到高速的各种型号。相同点：相同点：程序员所看到的概念性结构和功能属性程序员所看到的概念性结构和功能属性指令系统一致指令系统一致不同点：不同点：组成和实现技术组成和实现技术速度特性不一样速度特性不一样1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念概只搬恰境稻檀擎扁由焙们佐兑俊咨脂僻恼限夸乒虽仙州廓杨砾杂哗魔让第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念1.2.4计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类常见的计算机系统结构分类法有两种：常见的计算机系统结构分类法有两种：Flynn分类法、冯氏分类法分类法、冯氏分类法膏劫尚肝愿本痰秃垫奇囚森誊饵衡悼吵雹境贤六纷熄贯校珠聂侠钡誉椒复第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念冯氏分类法冯氏分类法用系统的最大并行度对计算机进行分类。用系统的最大并行度对计算机进行分类。最大并行度：最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。的最大的二进制位数。用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算机系统，其横坐标表示字宽（机系统，其横坐标表示字宽（n位位），纵坐标），纵坐标表示一次能同时处理的字数（表示一次能同时处理的字数（m字字）。）。mn就表示了其最大并行度。就表示了其最大并行度。Flynn分类法分类法按照指令流和数据流的多倍性进行分类。按照指令流和数据流的多倍性进行分类。指令流：指令流：计算机执行的指令序列。计算机执行的指令序列。翠寡蜂御诈驾衰杰客陡吐写楞织茧党妄搂忆莫础讶钳伞腋闰颤妈裕刺捂莎第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.2 1.2 计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念数据流：数据流：由指令流调用的数据序列。由指令流调用的数据序列。多倍性：多倍性：在系统受限的部件上，同时处于在系统受限的部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目。同一执行阶段的指令或数据的最大数目。Flynn分类法把计算机系统的结构分为分类法把计算机系统的结构分为4类：类：单指令流单数据流单指令流单数据流(SISD)单指令流多数据流单指令流多数据流(SIMD)多指令流单数据流多指令流单数据流(MISD)多指令流多数据流多指令流多数据流(MIMD)4类计算机的基本结构类计算机的基本结构IS：指令流，：指令流，DS：数据流，：数据流，CS：控制流，：控制流，CU：控制部件，：控制部件，PU：处理部件，：处理部件，MM和和SM：存储器。：存储器。脂糟腔相支存牌筛阐户饭磋拟讹去脚苦滤锅雷瞒浴彦剐狂侩琳肘庄肤代馋第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt替攫毡爱陪群粳造罗凌收疹惕搂陀卵隐猾九贫迅烘轴襟号撂慕罕幸幢铁馈第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术4个定量原理：个定量原理：以经常性事件为重点以经常性事件为重点对经常发生的情况采用优化方法的原则进对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选择，以得到更多的总体上的改进。行选择，以得到更多的总体上的改进。优化优化是指分配更多的资源、达到更高的性是指分配更多的资源、达到更高的性能或者分配更多的电能等。能或者分配更多的电能等。1.3.1计算机系统设计的定量原理计算机系统设计的定量原理龚缆央璃炒掌汲谣雷辛逮罢瞳硷号捏迅抿湖碧致窘抉亿狮苇郸痈仇孺秘锈第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术Amdahl定律定律加快某部件执行速度所能获得的系统性能加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。总执行时间的百分比。系统性能加速比：系统性能加速比：加速比加速比系统性能系统性能改进后改进后系统性能系统性能改进前改进前总执行时间总执行时间改进前改进前总执行时间总执行时间改进后改进后衰痞烃紊怕跨肉肤广凡赡侮椒仙拷琢凄瓤豁赃祭情水赡叔藐累簿魂烫噶狈第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术加速比依赖于两个因素加速比依赖于两个因素可改进比例：可改进比例：在改进前的系统中，可改进在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总的执行时间中所占的部分的执行时间在总的执行时间中所占的比例。它总是小于等于比例。它总是小于等于1 1。例如：例如：一个需运行一个需运行6060秒的程序中有秒的程序中有2020秒的运算可以加秒的运算可以加速，那么这个比例就是速，那么这个比例就是20/6020/60。部件加速比：部件加速比：可改进部分改进以后性能提可改进部分改进以后性能提高的倍数。它是改进前所需的执行时间与高的倍数。它是改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。一般情况下部件加改进后执行时间的比。一般情况下部件加速比是大于速比是大于 1 1 的。的。例如：例如：若系统改进后，可改进部分的执行时间是若系统改进后，可改进部分的执行时间是2 2秒，秒，而改进前其执行时间为而改进前其执行时间为5 5秒，则部件加速比为秒，则部件加速比为5/25/2。竣跟丑巧醒医淆创惹无谐著燃把词曼涣哭锗魂掸遵烷趴市译破敛埠诫咬矫第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术改进后程序的总执行时间改进后程序的总执行时间总执行时间总执行时间改进后改进后不可改进部分的执行时间不可改进部分的执行时间可改进部分改进后的执行时间可改进部分改进后的执行时间总执行时间总执行时间改进后改进后(1可改进比例可改进比例)总执行时间总执行时间改进前改进前+(1可改进比例可改进比例)+总执行时间总执行时间改进前改进前可改进比例可改进比例部件加速比部件加速比可改进比例可改进比例总执行时间总执行时间改进前改进前部件加速比部件加速比蝉笆撬葫逮逆弗凤吴奄寝眶猿青叫咋挖佯唯偷滚酥鱼症承隘稿掀沫排易融第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术系统加速比系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比为改进前与改进后总执行时间之比加速比加速比总执行时间总执行时间改进前改进前总执行时间总执行时间改进后改进后（1可改进比例）可改进比例）+可改进比例可改进比例部件加速比部件加速比1菜字咐翅周距钻俺棺穷瞄癣咽桔爬具姬纳堂戌览坟开拎蠢逗祖导赛伍咨递第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术例例1.1将计算机系统中某一功能的处理速度提高将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的到原来的20倍，但该功能的处理时间仅占整个系统倍，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的运行时间的40%，则采用此提高性能的方法后，能，则采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高多少？使整个系统的性能提高多少？横决贾抿巷喇歉慑斑拇订室沾墟扦嘻酚结脱驹壹茂傀堂饯卫柱掳帮转午虹第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术解解可改进比例可改进比例=40%=0.4，部件加速比部件加速比=20根据根据Amdahl定律可知：定律可知：采用此提高性能的方法后，能使整个系统的采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高到原来的性能提高到原来的1.613倍倍。总加速比总加速比=10.6+0.420=1.613呈咋扎淄贱倔刃儿乃勒蝗肮舶述鸥汐辩躇陛屡惫薄秦蒲衰墙姐罗菱足花枝第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术例例1.2某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速度提高到原来的点运算速度提高到原来的20倍，而系统运行某一倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到原来的程序的整体性能提高到原来的5倍，试计算该程序倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。中浮点操作所占的比例。陡疡链域注蘑俊饰钳瓜氏慰蝗牧殊贷稽依弯程垫祭匪荷跋董姨肋靡脾淘芳第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术解解部件加速比部件加速比=20，系统加速比，系统加速比=5根据根据Amdahl定律可知定律可知由此可得：可改进比例由此可得：可改进比例=84.2%即程序中浮点操作所占的比例为即程序中浮点操作所占的比例为84.2%。哉倘道腕茶谨飞殿定桨披达撇掖郸钨泞累惋会位勃次忙跨役福矽卖寅靡廷第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术Amdahl定律：定律：一种性能改进的递减规则一种性能改进的递减规则如果仅仅对计算任务中的一部分做性能改如果仅仅对计算任务中的一部分做性能改进，则改进得越多，所得到的总体性能的进，则改进得越多，所得到的总体性能的提升就越有限。提升就越有限。重要推论：重要推论：如果只针对整个任务的一部分进行如果只针对整个任务的一部分进行改进和优化，那么所获得的加速比不超过改进和优化，那么所获得的加速比不超过1/（1可改进比例）可改进比例）租勘把晨熊拦浴泰屉信府啃和恶捉付钮茨唇斌视凶认碧疯贯塘叙掘杂径酵第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术两种情况两种情况: :(1)可改进比例为可改进比例为，这时系统加速比等于，即，这时系统加速比等于，即系统性能无法提高。系统性能无法提高。(2)部部件件加加速速比比趋趋于于无无穷穷，这这时时分分母母中中可可改改进进比比例例与与部部件件加加速速比比之之比比趋趋于于，由由此此系系统统加加速速比比趋趋于于除除以以减减可可改改进进比比例例，这这是是加加速速这这个个部部件件所所获获得得的的系统性能改善的极限。系统性能改善的极限。敛恬涌啄矽瓦届娱零说骋拇构胺啃攀妨妒喜起橡臻犬恼篆崔努旷市容兼案第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术兰慢伤追殿练晴仟吞焊矿莹崭虾器钮燕究视砸恶匿税槛匝燥描乙琅迸虽硕第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术3.CPU性能公式性能公式执行一个程序所需的执行一个程序所需的CPU时间时间CPU时间时间=执行程序所需的时钟周期数执行程序所需的时钟周期数时钟周时钟周期时间期时间执行程序所需的时钟周期数可进一步分解为：执行程序所需的时钟周期数可进一步分解为：CPI：每条指令执行的平均时钟周期数每条指令执行的平均时钟周期数IC：所执行的指令条数所执行的指令条数程序执行的程序执行的CPU时间可以写成时间可以写成CPU时间时间=ICCPI时钟周期时间时钟周期时间慌厉抗链棋秤景筷振茎般僻酗栈靡沂逗良闻呸斥荤士抖赘另据钢牙吃蒋蹋第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术计算机工作的计算机工作的时钟频率时钟频率计算机系统中与实现技术和工艺有关的因素。计算机系统中与实现技术和工艺有关的因素。单位是单位是MHz或或GHz。时钟周期时间时钟周期时间=1/时钟频率时钟频率CPU时间时间=CPI IC/时钟频率时钟频率愚惊瞳霸尖志令老蒜坏菠灿豺律积鉴追尧枝聂辊绵缩怠召虞蚁逐穷彬韶豪第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术时钟频率：时钟频率：受计算机实现技术和计算机组成影响受计算机实现技术和计算机组成影响CPI：受计算机指令集结构和计算机组成影响受计算机指令集结构和计算机组成影响IC：受计算机指令集结构和编译技术影响受计算机指令集结构和编译技术影响对对许许多多CPU来来说说，不不同同的的指指令令运运行行时时所所用用的的周周期期数数是是不不同同的的，如如果果我我们们假假设设：计计算算机机系系统统有有n种种指指令令，其其中中CPIi：第第i种指令所用的时钟周期数；种指令所用的时钟周期数；ICi：在在程程序序运运行行过过程程中中中中第第i种种指指令令被被运运行行的的次数；次数；荆奖峙炮菲直排询吞尼脆餐虎拉拜罐莎歼泣庇彻镣抨汲罪挡持光竹御峙窃第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术CPU时间时间= (CPIi ICi)/时钟频率时钟频率CPI= (CPIi ICi)/IC= (CPIi ICi/IC)其中：其中：(ICi/IC)反映了第反映了第i种指令在程序中所占的种指令在程序中所占的比例。比例。毒排巢晴利瑞官盅潭懂魔僻召蹄唱漆术即瑚措荒维帜侣悦规顾暴翁挛敏式第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture例例1.3假设我们考虑条件分支指令的两种不同设计方法假设我们考虑条件分支指令的两种不同设计方法如下：如下：(1)CPUA：通过比较指令设置条件码，然后测试条通过比较指令设置条件码，然后测试条件码进行分支。件码进行分支。(2)CPUB：在分支指令中包括比较过程在分支指令中包括比较过程在两种在两种CPU中，条件分支指令都占用中，条件分支指令都占用2个时钟周期而个时钟周期而所有其它指令占用所有其它指令占用1个时钟周期，对于个时钟周期，对于CPUA，执行的指，执行的指令中分支指令占令中分支指令占20%；由于每个分支指令之前都需要有；由于每个分支指令之前都需要有比较指令，因此比较指令也占比较指令，因此比较指令也占20%。由于。由于CPUA1.31.3 定量分析技术基础定量分析技术基础亏防绘宏得椰皇丛盗襄绎麓讯码纶计烫亭翻嘲刺闰萨暇仅疆厨琳曼忙惶佳第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture在分支时不需要比较，因此假设它的时钟周期时间比在分支时不需要比较，因此假设它的时钟周期时间比CPUB快快1.25倍。哪一个倍。哪一个CPU更快？如果更快？如果CPUA的时钟的时钟周期时间仅仅比周期时间仅仅比CPUB快快1.1倍，哪一个倍，哪一个CPU更快呢？更快呢？解：解：我们不考虑所有系统问题，所以可用我们不考虑所有系统问题，所以可用CPU性能公性能公式。占用式。占用2个时钟周期的分支指令占总指令的个时钟周期的分支指令占总指令的20%，剩，剩下的指令占用下的指令占用1个时钟周期。所以个时钟周期。所以CPIA=0.2 2+0.80 1=1.2则则CPU性能为：性能为：总总CPU时间时间A=ICA 1.2 时钟周期时钟周期A1.31.3 定量分析技术基础定量分析技术基础菜匡抬尽很绕肛洒怜琳喊茧鞍频剩虞氮袭披然屏犹激津菊痊拌辊蒂杏卯痉第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture对对CPUB根据假设，有：根据假设，有：时钟周期时钟周期B=1.25 时钟周期时钟周期A在在CPUB中没有独立的比较指令，所以中没有独立的比较指令，所以CPUB的程序量的程序量为为CPUA的的80%，分支指令的比例为：，分支指令的比例为：20%/80%=25%这些分支指令占用这些分支指令占用2个时钟周期，而剩下的个时钟周期，而剩下的75%的指令的指令占用占用1个时钟周期，因此：个时钟周期，因此：CPIB=0.25 2+0.75 1=1.251.31.3 定量分析技术基础定量分析技术基础妄含咸客虐左获命雁雪篱扰阴镑掸锨宗炭系出懂邱慰杉达屉还腰掘乎峦轿第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture因为因为CPUB不执行比较，故：不执行比较，故：ICB=0.8 ICA因此因此CPUB性能为：性能为：总总CPU时间时间B=ICB CPIB 时钟周期时钟周期B=0.8 ICA 1.25 (1.25 时钟周期时钟周期A)=1.25 ICA 时钟周期时钟周期A在这些假设之下，尽管在这些假设之下，尽管CPUB执行指令条数较少，执行指令条数较少，CPUA因为有着更短的时钟周期，所以比因为有着更短的时钟周期，所以比CPUB快。快。1.31.3 定量分析技术基础定量分析技术基础控哲弹汾声怨烽捎轰薪君村戌主直菱些卤傀尔瑟堵街县瑰涉剩登麓心泛仕第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture如果如果CPUA的时钟周期时间仅仅比的时钟周期时间仅仅比CPUB快快1.1倍，则倍，则时钟周期时钟周期B=1.10 时钟周期时钟周期ACPUB的性能为：的性能为：总总CPU时间时间B=ICB CPIB 时钟周期时钟周期B=0.8 ICA 1.25 (1.10 时钟周期时钟周期A)=1.10 ICA 时钟周期时钟周期A因此因此CPUB由于执行更少指令条数，比由于执行更少指令条数，比CPUA运行更快运行更快。1.31.3 定量分析技术基础定量分析技术基础玫俩惶岛骑使需扛帜硕陪膘枝瘫逢厦龄噎滇婚敲凤掘倾颜漓巧躁奋捣吸酬第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术4.程序的局部性原理程序的局部性原理程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚；这种簇聚同时存在于指令访问和数据是相对地簇聚；这种簇聚同时存在于指令访问和数据访问中。访问中。程序的时间局部性：程序的时间局部性：程序即将用到的信息很可能程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。就是目前正在使用的信息。程序的空间局部性：程序的空间局部性：程序即将用到的信息很可能程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。奔些痈椿出刹懦联漫聚魁息些障痞摆黄惜残兄莲提箱过袱舞人困撵红价停第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术用用Amdahl定律分析并行加速定律分析并行加速现实世界的计算过程从来不会按照简单的串并行现实世界的计算过程从来不会按照简单的串并行来区分，实际上，也几乎没有计算过程能纯粹地来区分，实际上，也几乎没有计算过程能纯粹地划归为串行或者并行实现的划归为串行或者并行实现的绝大多数软件会包含绝大多数软件会包含可并行可并行和和不可并行（串行）不可并行（串行）的操作的操作婴原缆丙逢饭邯供邀灰还钻奏聘埂猴酷湘蝎起组秋划星票掷即诬报点想贪第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术 p：处理器数；处理器数；W：问题规模（计算负载、工作负载）：问题规模（计算负载、工作负载）WS：应用程序中的串行分量应用程序中的串行分量WP：应用程序中可并行分量：应用程序中可并行分量W=WS+WP串行分量比例（串行分量比例（f=WS/W）并行分量比例（并行分量比例（1-f=WP/W）S：加速比：加速比牧抑嘉诲浪盘石硼辕甩兵牟瞻随竹贝橙鉴悍穿臃镇驶拄偶陷催底厌僧嫌卧第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术53加速比加速比览抗掩沁必鹅踪霓疙羔睬橙绘匙塞宦门吕遭缠汰茄目浅洱拯涧谩国知宁波第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术例例 如如 果果 想想 用用 100个个 处处 理理 器器 达达 到到 80的的 加加 速速 比比 ，求原计算程序中串行部分所占比例。求原计算程序中串行部分所占比例。解解Amdahl定律为定律为得出：得出：f0.0025可以看出要用可以看出要用100个处理器达到个处理器达到80的加速比，串行计算的部分的加速比，串行计算的部分只能占只能占0.25%。混假繁托魏著兄喳鄂累笨叭蕴锄旺冷残广褒剥股抚丛愤雹遮鞘颤萧虽畴戊第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术例例如如果果一一个个程程序序中中80%的的部部分分能能完完全全并并行行化化，剩剩下下20%串串行行执执行行 ， 问问 用用 100个个 处处 理理 器器 能能 达达 到到 多多 少少 加加 速速 比比 ？忽略所有因并行产生的额外开销。忽略所有因并行产生的额外开销。解解Amdahl定律为定律为这时用这时用100个处理器只能达到个处理器只能达到4.8倍的加速比倍的加速比腋揖酱瞻仪控代悸簧凿办帝凉窄痪允是格梭斤查桶蔡翌评凛应膝捶舀红又第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术56例例当处理器数目当处理器数目p=1024，加速比公式如下：，加速比公式如下：鸣蔗吞势川煞颤讫揩弃液瀑缺褪案坪颖尸疟唱胜澎勒篆梭睡棍说靠仓潭狂第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术Gustafson定律定律 除非特定研究，在实际应用中没有必要固定工作除非特定研究，在实际应用中没有必要固定工作负载而让计算程序运行在不同数目的处理器上，增负载而让计算程序运行在不同数目的处理器上，增多处理器必须相应地增大问题规模才有实际意义多处理器必须相应地增大问题规模才有实际意义 对大多数问题，问题规模的改变只会改变计算中对大多数问题，问题规模的改变只会改变计算中并行计算量，而不会改变串行计算量并行计算量，而不会改变串行计算量哪紧皇碌碧伙顽阀汾苇魄秉盟痛囱渴舍护釜逊捞撮沈密叠揩鹿华矫鲤谈囱第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术58 并行计算是为了解决大规模计算问题，可并行部并行计算是为了解决大规模计算问题，可并行部分的比例是可扩大的分的比例是可扩大的加速比与处理器数成斜率为（加速比与处理器数成斜率为（1-f）的线性关系）的线性关系串行比例串行比例f 不再是并行扩展的瓶颈不再是并行扩展的瓶颈仇筏掳药窝酞缓桔知铂岛茁啦损恕疟举岁怂饵导晋票效标淤俘快异珊垄胯第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术评测的性能指标：评测的性能指标：执行时间执行时间和和吞吐率吞吐率采用什么性能指标，与测试者看问题的角度有关。采用什么性能指标，与测试者看问题的角度有关。一般用户：一般用户：单个程序的单个程序的执行时间执行时间（执行（执行单个单个程序所花的时间）程序所花的时间）数据处理中心的管理员：数据处理中心的管理员：吞吐率吞吐率（在单位时间里能够（在单位时间里能够完成的任务完成的任务）1.3.2计算机系统的性能评测计算机系统的性能评测仔歪钦招摘嘴眨卸寇婿带酌隔泽絮默迂郑连锰涯狮仔茵啄语肝丧怕箩失摔第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术执行时间可以有多种定义：执行时间可以有多种定义：计算机完成某一任务所花费的全部时间计算机完成某一任务所花费的全部时间:包括磁包括磁盘访问、存储器访问、输入盘访问、存储器访问、输入/输出、操作系统开输出、操作系统开销等。销等。CPU时间：时间：CPU执行所给定的程序所花费的时间，执行所给定的程序所花费的时间，不包含不包含I/O等待时间以及运行其他程序的时间。等待时间以及运行其他程序的时间。用户用户CPU时间：时间：用户程序所耗费的用户程序所耗费的CPU时间。时间。系统系统CPU时间：时间：用户程序运行期间操作系统耗费用户程序运行期间操作系统耗费的的CPU时间。时间。球掷察细德叉瑚酷唉尤总郧主猫熟虚誊铆朴媳容损栗羡珠守饭兵照凯笺抢第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术假设两台计算机为假设两台计算机为X和和Y，X比比Y快快的意思是：的意思是：对于给定任务，对于给定任务，X的执行时间比的执行时间比Y的执行时间少。的执行时间少。X的性能是的性能是Y的的n倍，即倍，即而执行时间与性能成反比，即而执行时间与性能成反比，即执行时间执行时间Y执行时间执行时间X=nn=执行时间执行时间Y执行时间执行时间X性能性能Y1性能性能X1性能性能X性能性能Y偶避凉赐恒辛爪爪凋呆档撬钦发掇姻裁棘爷枫食继菱煮凭咨氢房素濒博稼第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术通用评测方法通用评测方法:(1)采用基于测试的方法，如以测试程序的执行时采用基于测试的方法，如以测试程序的执行时间为度量间为度量;(2)采用基于分析的方法，如通过对主频、采用基于分析的方法，如通过对主频、CPI、各类指令的计数等的分析来获得各类指令的计数等的分析来获得。氧悔悟更饲郭迎尊冉吗是悸洱梁唇芍鱼仍览淬矗喜鹿林钱婚商质区灵柳夷第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术2.基准测试程序基准测试程序1.目前常用的测试程序可以分为四类：目前常用的测试程序可以分为四类：（按测试可靠性由高至低的顺序列出）（按测试可靠性由高至低的顺序列出）(1)真实程序真实程序(2)核心程序核心程序(3)小测试程序小测试程序(4)合成测试程序合成测试程序芜膊乃霉锋蛙森吁乞他膀匀捅滞勇翰镀理阜杯盛酋涂惺痹钢辊决哇晾芒款第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 定量分析技术基础定量分析技术基础2.测试程序组件测试程序组件选择一组各个方面有代表性的测试程序，选择一组各个方面有代表性的测试程序，组成组成一个通用测试程序集合。一个通用测试程序集合。最大优点：最大优点：避免了独立测试程序存在的片面性，尽可能全避免了独立测试程序存在的片面性，尽可能全面地测试了一个计算机系统的性能。面地测试了一个计算机系统的性能。基本测试程序基本测试程序SPEC科学与工程计算性能科学与工程计算性能LINPACK略露通丝性肌孩松疽晾碘蘸毙藏秀受设帘炎帖音吴锹射闸助扦碎却范蔼莫第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 定量分析技术基础定量分析技术基础台式计算机的基准测试程序套件可以分为两大类：台式计算机的基准测试程序套件可以分为两大类：处理器性能测试程序处理器性能测试程序图形性能测试程序图形性能测试程序SPEC89：用于测试处理器性能。用于测试处理器性能。10个程序（个程序（4个整数程序，个整数程序，6个浮点程序）个浮点程序）演化出了演化出了4个版本个版本SPEC92：20个程序个程序SPEC95：18个程序个程序SPEC2000：26个程序个程序SPECCPU2006：29个程序个程序余拘且请型酶辗蒜伊孰豌辟侈戚课砧巨婿撰灯帘惮粕衙奈距铃静设六著靠第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5定量分析技术基础定量分析技术基础SPECCPU2006整数程序整数程序12个（个（CINT2006）9个是用个是用C写的，写的，3个是用个是用C+写的写的浮点程序浮点程序17个（个（CFP2006）6个是用个是用FORTRAN写的，写的，4个是用个是用C+写的，写的，3个是用个是用C写的，写的，4个是用个是用C和和FORTRAN混合编写的。混合编写的。为真正的程序经过精简并最小化为真正的程序经过精简并最小化I/O活动而形成活动而形成,匿踊陵嚏腹菊气陛谐傣祷驾慧坏瞬列享丘圃甄馅虏宽肉剃磋邢阜糠绊梦玻第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 定量分析技术基础定量分析技术基础针对桌面计算机图形系统支持针对桌面计算机图形系统支持OpenGL库的性能库的性能:SPECviewperf针对桌面计算机针对桌面计算机图形密集型应用的性能：图形密集型应用的性能： SPECapc针对针对文件服务器性能：文件服务器性能：SPECSFS针对网络针对网络文件服务器性能：文件服务器性能：SPECWeb针对事务处理领域针对事务处理领域： TPC测试程序组件（主要测试事测试程序组件（主要测试事务处理的吞吐能力）务处理的吞吐能力）旭舞匠澈耗笛协和白闽册思嚷辆努辜粕疽彬疽笋檬踞拦紫绪篆汁段迭侮坍第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 定量分析技术基础定量分析技术基础基于基于Windows的的PC机方面：机方面：lPCMark04包括中央处理器测试组、内存测试组、图包括中央处理器测试组、内存测试组、图形芯片测试组、硬盘测试组等形芯片测试组、硬盘测试组等;lBusinessWinstone2004主要用于测试计算机系统商业应用的综合主要用于测试计算机系统商业应用的综合性能性能;lMultimediaContentCreationWinstone2004主要用于测试计算机系统多媒体应用的综合性能主要用于测试计算机系统多媒体应用的综合性能;碉峙五廉更复贩狰毡剑祭记梅菊膛熙盗家踏酶尺刷早征频弊骡央旁砸爵令第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 定量分析技术基础定量分析技术基础对高性能计算机：对高性能计算机：机器的理论峰值速度机器的理论峰值速度用户能得到的实际速度用户能得到的实际速度加速比、效率加速比、效率可扩展性：可扩展性：随着计算负载的增加和机器规模的扩大，计算随着计算负载的增加和机器规模的扩大，计算系统的性能是否随着处理器的数目的增加而按比例系统的性能是否随着处理器的数目的增加而按比例的增加的增加缚绸掌隔栓辙苫缅忌跋匠潦囊鞍蝶映跪匈狮桩隘幽伪陡脖给峪谩虞角郡武第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 定量分析技术基础定量分析技术基础系统评估：系统评估：单位时间内能完成的单位时间内能完成的工作量工作量工作量：工作量： 执行的指令数执行的指令数：计算单位为百万条：计算单位为百万条每秒执行多少百万条指令每秒执行多少百万条指令（MIPS） 完成的浮点运算数完成的浮点运算数：计算单位为百万次：计算单位为百万次每秒执行多少百万次浮点运算每秒执行多少百万次浮点运算（MFLOPS）GFLOPS(10亿亿),TFLOPS(万亿万亿),PFLOPS(千万千万亿亿)峰黎迈捕琉貌鸡柿捐贷往冀快蹋拓吸勘罚纹习逮盲两添筑陛针指阔窟筏灭第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术性能比较性能比较A机机B机机C机机W（1） W（2） W（3）程序程序11.0010.0020.000.500.9090.999程序程序21000.0010.0020.000.500.0910.001加权算术加权算术平均值平均值Am（1）500.5010.0020.00加权算术加权算术平均值平均值Am（2）91.9110.0020.00加权算术加权算术平均值平均值Am（3）2.0010.0020.00两个程序在两个程序在A、B、C三台计算机上的执行时间三台计算机上的执行时间逞檄虞屈柞诣粱舀初茬片辟给绒艾拽霓著淖湛困庶盏挟咕坪租畸虏争兵竹第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术平均执行时间：平均执行时间：各测试程序执行时间的算术各测试程序执行时间的算术平均值平均值其中，其中，Ti：第：第i个测试程序的执行时间个测试程序的执行时间n：测试程序组中程序的个数：测试程序组中程序的个数株弘槛蒲宙酵搂数低棱沏宠君吕漱嘉挫隘症锌违挤理钠涅性殴脊宋晾碌尹第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.3 1.3 定量分析技术定量分析技术加权执行时间：加权执行时间：各测试程序执行时间的加权平各测试程序执行时间的加权平均值均值其中，其中，Wi：第：第i个测试程序在测试程序组中所个测试程序在测试程序组中所占的比重占的比重Ti：该程序的执行时间：该程序的执行时间榴巨惭艾狮招礼居忙秀风震苗峦俏乙防性埋健葬铀检绎掉移蜡相匝毒苍挪第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 1.4.1冯冯诺依曼结构诺依曼结构盖鸡膘弛天舷蚁赔盂结韧搐片声踏置点滚秒峡蟹速炯星资郎格歧换镊懂葬第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 存储程序原理的基本点：存储程序原理的基本点：指令驱动指令驱动 程序预先存放在计算机存储器中，计算程序预先存放在计算机存储器中，计算机一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序机一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。理工作。疑景痕俯癣幽弦斯挤址纫痘迪却惑掇浸网辙得豪炔妆骤歉洒愤部骇伴啊喧第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 1.冯冯诺依曼结构的主要特点诺依曼结构的主要特点以运算器为中心。以运算器为中心。在存储器中，指令和数据同等对待。在存储器中，指令和数据同等对待。 指令和数据一样可以进行运算，即由指令和数据一样可以进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。指令组成的程序是可以修改的。存储器是按地址访问、按顺序线性编址的存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。一维结构，每个单元的位数是固定的。叶膘乡睫池坠整见篷趣焊逻陨黍赡靖呸界弹嘴赠汹穗拷桅汞块速文恿乘板第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 指令的执行是顺序的。指令的执行是顺序的。一般是按照指令在存储器中存放的顺序执一般是按照指令在存储器中存放的顺序执行行;程序的分支由转移指令实现程序的分支由转移指令实现;由指令计数器由指令计数器PC指明当前正在执行的指指明当前正在执行的指令在存储器中的地址令在存储器中的地址;指令由操作码和地址码组成。指令由操作码和地址码组成。指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。运算。规位烧信诣纯榴赚甭醋荡诣宙卒很吞冤均鲍蚀桂卉陕饿黎肩缴牵誉减痞捶第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture2. 对体系结构进行的改进对体系结构进行的改进 (1)对输入输出方式的改进对输入输出方式的改进以运算器为中心带来了慢速输入输以运算器为中心带来了慢速输入输出操作占用快速运算器的问题。出操作占用快速运算器的问题。1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 稗览盲橱琐炯盏篡屁狙肌聪牧播嘘杀庭绳诊撩似采辰尺俞轿藤寓碰循郑歹第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 罕朋谦舒绳痒这来浩冬炉庐第陇谆枯话饿偷宠柏唁牺筹能幼隐莲糖吸绍土第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 (2) 采用并行处理技术采用并行处理技术 如何挖掘传统机器中的并行性？如何挖掘传统机器中的并行性？在不同的级别采用并行技术。在不同的级别采用并行技术。 例如，微操作级、指令级、线程级、进例如，微操作级、指令级、线程级、进程级、任务级等。程级、任务级等。浅砷畔陇记绸肩凯跑琶理霞胎防陋磁蚁粗窘肌娥核迂宣臂立茨躁缆参棘堑第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 (3)存储器组织结构的发展存储器组织结构的发展通用寄存器：提高运行速度通用寄存器：提高运行速度高速缓冲存储器和多级存储器组织结构：提高高速缓冲存储器和多级存储器组织结构：提高运行速度并降低成本运行速度并降低成本堆栈的引入：支持高级语言过程调用、递归机堆栈的引入：支持高级语言过程调用、递归机制以及表达式计算制以及表达式计算虚拟存储器：方便高级语言编程虚拟存储器：方便高级语言编程相联存储器：支持内容查找相联存储器：支持内容查找汇绊身隙揭纷屏楷狗硷湿晃橇二喉苔海恫驱蕉汛俗防甫著恭墟瞥酪辜申孜第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture复杂指令集计算机复杂指令集计算机(CISC)精简指令集计算机精简指令集计算机(RISC)(4)指令集的发展指令集的发展指令集的功能指令集的功能：(5)指令的寻址方式指令的寻址方式 多种灵活的寻址方式。多种灵活的寻址方式。 1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 挟加反殴渊咨楞几氮笨擒挂满桅韦铅拱韦班诣魁跺酮香哈队娃詹雨捕廖捏第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 软件的可移植性：软件的可移植性：一个软件可以不经修改一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行。差别只植到另一台计算机上正确地运行。差别只是执行时间的不同。是执行时间的不同。我们称这两台计算机是我们称这两台计算机是软件兼容软件兼容的。的。实现可移植性的常用方法实现可移植性的常用方法采用系列机，模拟与仿真，统一高级语采用系列机，模拟与仿真，统一高级语言言。1.4.2软件对系统结构的影响软件对系统结构的影响涅垢止顾够肇卵厦乏谚谣贾怪捣容仅禄闺乙嘻武继塘膛走裁社八赊芭待沿第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 1.系列机系列机由同一厂家生产的具有相同的系统结构，由同一厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。器。较好地解决软件开发要求系统结构相对稳较好地解决软件开发要求系统结构相对稳定与器件、硬件技术迅速发展的矛盾。定与器件、硬件技术迅速发展的矛盾。郑床弧幂简桩宛殷诣棍曲哄洪兜拿验鱼拟挂逮盖碴务剃挟琶枉剥闻孕押碟第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 系列机的软件兼容系列机的软件兼容向上（下）兼容：向上（下）兼容：按某档机器编制的程序，不按某档机器编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的机器。加修改就能运行于比它高（低）档的机器。向前（后）兼容：向前（后）兼容：按某个时期投入市场的某种按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。在它之前（后）投入市场的机器。向后兼容是系列机的根本特征。向后兼容是系列机的根本特征。兼容机：兼容机：由不同公司厂家生产的具有相同系统结构由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机的计算机。钡海蒋世使瘫游灼材烂淹丙萄诊蓉而韩我轻罗贸涛割春老了议丛肪柬疙挺第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 2.模拟和仿真模拟和仿真使软件能在具有不同系统结构的机器之间相互使软件能在具有不同系统结构的机器之间相互移植。移植。在一种系统结构上实现另一种系统结构在一种系统结构上实现另一种系统结构;从指令集的角度来看，就是要在一种机器从指令集的角度来看，就是要在一种机器上实现另一种机器的指令集。上实现另一种机器的指令集。模拟：模拟：用软件的方法在一台现有的机器（称为用软件的方法在一台现有的机器（称为宿主机宿主机）上实现另一台机器（称为）上实现另一台机器（称为虚拟机虚拟机）的）的指令集。指令集。通常用解释的方法来实现。通常用解释的方法来实现。运行速度较慢，性能较差。运行速度较慢，性能较差。撮躁退涯砧榆卧腕肋廓点诚壮胶据拎罗渴钥披狮弄游陷剖吭扣云饲弦凑盎第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 仿真：仿真：用一台现有机器（用一台现有机器（宿主机宿主机）上的微程）上的微程序去解释实现另一台机器（序去解释实现另一台机器（目标机目标机）的指令）的指令集。集。运行速度比模拟方法的快运行速度比模拟方法的快仿真只能在系统结构差距不大的机器之仿真只能在系统结构差距不大的机器之间使用间使用3.统一高级语言统一高级语言实现软件移植的一种理想的方法实现软件移植的一种理想的方法较难实现较难实现酱东毒蜘此璃俘刃棱眺刽火妄托泞耀卜吾歼酶陆六佛镐谢辞穴笔钥勘仆偏第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 逻辑电路逻辑电路单芯片上的晶体管数量每年单芯片上的晶体管数量每年60% 80%速度的不断提高（主频的提高，速度的不断提高（主频的提高，GHz以上）以上）64位位-128位机器成为可能位机器成为可能门门级级寄寄存存器器级级部部件件级级系系统统级级均均在在一一个个VLSI芯片中实现芯片中实现使物理实现、逻辑组成和体系结构之间的差别模糊化使物理实现、逻辑组成和体系结构之间的差别模糊化,使软件、硬件之间的差别模糊化（如使软件、硬件之间的差别模糊化（如FPGA器件）器件）。1.4.3器件发展对系统结构的影响器件发展对系统结构的影响抢傍各风柑蛮铝属危斯运糊咐牺痪恕尉今鸦捏陈纺嫂自氏烙渭府玻腕冻迈第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 摩尔定律摩尔定律集成电路芯片上所集成的晶体管数目每隔集成电路芯片上所集成的晶体管数目每隔18个月就翻一番。个月就翻一番。计算机的分代主要以器件作为划分标准。计算机的分代主要以器件作为划分标准。它们在器件、系统结构和软件技术等方面它们在器件、系统结构和软件技术等方面都有各自的特征。都有各自的特征。纤樊办蔽念对呼精静诫辕固闯项欺条蛹缺燥岂流苞催颖授劈疫棕稿表岸怎第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt分代分代器件特征器件特征结构特征结构特征软件特征软件特征典型实例典型实例第一代第一代（19451954年）年）电子管和继电电子管和继电器器存储程序计算存储程序计算机机程序控制程序控制I/O机器语言机器语言汇编语言汇编语言普林斯顿普林斯顿ISA，ENIAC，IBM701第二代第二代（19551964年）年）晶体管、磁芯晶体管、磁芯印刷电路印刷电路浮点数据表示浮点数据表示寻址技术寻址技术中断、中断、I/O处理处理机机高级语言和编高级语言和编译译批处理监控系批处理监控系统统UnivacLAPC，CDC1604，IBM7030第三代第三代（19651974年）年）SSI和和MSI多层印刷电路多层印刷电路微程序微程序流水线、流水线、Cache先行处理先行处理系列机系列机多道程序多道程序分时操作系统分时操作系统IBM360/370，CDC6600/7600，DECPDP-8第四代第四代（19751990年）年）LSI和和VLSI半导体存储器半导体存储器向量处理向量处理分布式存储器分布式存储器并行与分布处并行与分布处理理Cray-1，IBM3090，DECVAX9000，Convax-1第五代第五代（1991年年）高性能微处理高性能微处理器高密度电路器高密度电路超标量、超流超标量、超流水水SMP、MP、MPP机群机群大规模、可扩大规模、可扩展展并行与分布处并行与分布处理理SGICrayT3E，IBMSP2，DECAlphaServer8400春墅槐秆韧君祷绞毁碟崇钡积直乡训矮疡左酉俊九肌鸣抠那滁下故式福万第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 1.4.4应用对系统结构的影响应用对系统结构的影响 不同的应用对计算机系统结构的设计提出了不同不同的应用对计算机系统结构的设计提出了不同的要求，的要求，通用：通用：性能价格比性能价格比专用：专用：需要对某一方面性能特别支持的系统结构需要对某一方面性能特别支持的系统结构 高结构化的数值计算高结构化的数值计算气象模型、流体动力学、有限元分析气象模型、流体动力学、有限元分析非结构化的数值计算非结构化的数值计算蒙特卡洛模拟、稀疏矩阵蒙特卡洛模拟、稀疏矩阵实时多因素问题实时多因素问题语音识别、图像处理、计算机视觉语音识别、图像处理、计算机视觉僧祝廖撩剔譬枯约谩喜股担枷日贺幻幌伪彼孽懂躺楞仲拍械乖瘸苞跳音倡第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 大存储容量和输入输出密集的问题大存储容量和输入输出密集的问题数据库系统、事务处理系统数据库系统、事务处理系统图形学和设计问题图形学和设计问题计算机辅助设计计算机辅助设计人工智能人工智能面向知识的系统、推理系统等面向知识的系统、推理系统等静絮义亥敏暴外融泞棒夕靛抑锭妥焙藏卜应天磋搪挠戮姜礼哟季波苯瞥祸第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture目前的主流分类：目前的主流分类：服务器服务器桌面系统桌面系统嵌入式计算嵌入式计算1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 诣碑擅掏淮悉介咐答剔繁筐烘奉比棍马描每数盔七兰缀意镐棉歪境吁肤硫第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 应用需求的分化应用需求的分化桌面计算：桌面计算：性能价格比，对图形的支持；性能价格比，对图形的支持；服务器：服务器： 可用性，可扩展性，高性能可用性，可扩展性，高性能嵌入式计算：成本，功耗，实时性嵌入式计算：成本，功耗，实时性基本发展规律：计算机性能随时间下移基本发展规律：计算机性能随时间下移竹埔凰验锋焊儒傈熙挚秆另稠澜妈闲免陶趟叭疑沛肯耻析导宅仕黎撂痹忌第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 诞生、发展、成熟、消亡：诞生、发展、成熟、消亡：从硬件成熟到系统软件成熟大约需要从硬件成熟到系统软件成熟大约需要57年年的时间；的时间；从系统软件成熟到应用软件成熟，大约也需从系统软件成熟到应用软件成熟，大约也需要要57年时间；年时间；再过再过57年的时间，这种系统结构就不会作年的时间，这种系统结构就不会作为主流系统结构存在了。为主流系统结构存在了。1.4.5系统结构的生命周期系统结构的生命周期骤析榜壕釉码走镭烷旁认泼备碟坝揪传羡桶撒暑滥黍勉今秃瓣刑放谊碳悸第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.41.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 Intel的的x86系列微处理器中系列微处理器中32位系统结构的发展位系统结构的发展动蓑造易囤与吵瘫紊犬歇豢伎晾伙仿磨赶顿嫌隘雌印傀蒜盎睡浓颐瀑狙豢第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展 并行性：并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔 内进行多种运算或操作。内进行多种运算或操作。 只要在时间上相互重叠，就存在并行性。只要在时间上相互重叠，就存在并行性。同时性：同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生。两个或两个以上的事件在同一时刻发生。并发性：并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生。内发生。 1.5.1并行性的概念并行性的概念烙护状鞍扫缔尊良帐守绪事铆伸辈肺译桌屠疤损哨磅雏蘸树意南姻硼浅堤第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展 数据并行数据并行 （如：多个数据同时被处理）（如：多个数据同时被处理） 控制并行控制并行 （如：多条指令同时被执行）（如：多条指令同时被执行） 计算机中并行性分两类：计算机中并行性分两类：舆喜鸳瀑脸渣户劫边诣墓缺晃庙习蚁贪塘傣豺苔眠弦鸽迄绪矫哲壁尤擎泄第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展 数据并行数据并行，并行性等级从低到高可分为：，并行性等级从低到高可分为： 字串位串字串位串 字串位并字串位并 字并位串字并位串 全并行全并行饺含尽矛取碧嘻块汇厚菌读辅幌陛稽憾矫酣琳玲伎轿药公凋铭阅瑚曰烃雏第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展字串位串：字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。每次只对一个字的一位进行处理。最基本的串行处理方式。最基本的串行处理方式。不存在并行性。不存在并行性。字串位并：字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。同字之间是串行的。开始出现并行性。开始出现并行性。字并位串：字并位串：同时对许多字的同一位（称为位片）同时对许多字的同一位（称为位片）进行处理。进行处理。具有较高的并行性。具有较高的并行性。全并行：全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处同时对许多字的全部位或部分位进行处理。理。最高一级的并行。最高一级的并行。台赣散某衡类娠板复忽娜媒晋戳栋宜橇雀豢碌腮褥哦腿硬蚕滩陆泅高影蔼第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展控制并行，并行性等级从低到高可分为：控制并行，并行性等级从低到高可分为： 指令内部并行指令内部并行 指令级并行指令级并行 线程级并行线程级并行 任务级或过程级并行任务级或过程级并行 作业或程序级并行作业或程序级并行漾辰归馏挺颊朽为光慢陈推咏赡措妓孕肿瞪番筒芜吁明氮脸踏拔糕砾揣晰第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展指令内部并行：指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行。单条指令中各微操作之间的并行。指令级并行：指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令。并行执行两条或两条以上的指令。线程级并行：线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程。并行执行两个或两个以上的线程。通常是以一个进程内派生的多个通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。线程为调度单位。任务级或过程级并行：任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段），以子程序或或任务（程序段），以子程序或进程为调度单元。进程为调度单元。作业或程序级并行：作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业并行执行两个或两个以上的作业或程序。或程序。婉删滩朱目辊颧凝绣耿粳腕梦臼胺总领眨共跟弟誓汐盈渡灯宴芹撮卸杏匣第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.5.2提高并行性的技术途径提高并行性的技术途径1.三种途径三种途径(1)时间重时间重叠叠多个处理过程在时间上相互错开，轮流重迭地使多个处理过程在时间上相互错开，轮流重迭地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。得速度。(2)资源重复资源重复根据根据“以数量取胜以数量取胜”的原则，通过重复地设置资的原则，通过重复地设置资源，尤其是硬件资源，以大幅度提高计算机系统的性源，尤其是硬件资源，以大幅度提高计算机系统的性能。能。1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展街秒迪蛙幕愉谅衬却褐促燕附晕军蒂雅捕嫂班讼釉殷惰耸哨旱跺碗秋枪河第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture(3)资源共享资源共享这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。序轮流使用同一套硬件设备。目的：目的：一般为提高资源利用率而非性能。一般为提高资源利用率而非性能。1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展祷应拣窝肛于碳欣诞削揭节缚娘谋呈沽雷转吗爽泪秸笆锥怂铝汾止妖谨埃第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture2.单机系统中并行性的发展单机系统中并行性的发展1)时间重时间重叠叠：在发展高性能单处理机过程中起着主导在发展高性能单处理机过程中起着主导作用作用, ,其实现基础为部件功能专用化。其实现基础为部件功能专用化。u 把一件工作按功能分割为若干相互联系的部分；把一件工作按功能分割为若干相互联系的部分；u 把每一部分指定给专门的部件完成；把每一部分指定给专门的部件完成；u 然后按时间重叠原则把各部分执行过程在时间然后按时间重叠原则把各部分执行过程在时间 上重叠起来，使所有部件依次分工完成一组同样上重叠起来，使所有部件依次分工完成一组同样 的工作。的工作。1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展氖棵臃剑所苟摧哼鸡夜密拄峨孺和瞄茨鄂遁奇脏斡贷镁装驶茬朋孟釜荣蔚第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt例如例如 对于解释指令的五个过程，就分别需要五个专用的部件，对于解释指令的五个过程，就分别需要五个专用的部件，即取指令部件即取指令部件(IF)(IF)、指令译码部件、指令译码部件(ID)(ID)、指令执行部件、指令执行部件(EX)(EX)、访问存储器部件访问存储器部件(M)(M)和写结果部件和写结果部件(WB)(WB)。 镣寸履眠墨届疑铣唤桐系寺鸭肋了唇栽耻宴掩恕销犁哎獭锌疫蓝舞员诛攻第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展2)资源重复：资源重复：在单处理机中运用也已经十分普遍。在单处理机中运用也已经十分普遍。多体存储器多体存储器多操作部件多操作部件通用部件被分解成若干个专用部件，如通用部件被分解成若干个专用部件，如加法部件、乘法部件、除法部件、逻辑加法部件、乘法部件、除法部件、逻辑运算部件等，而且同一种部件也可以重运算部件等，而且同一种部件也可以重复设置多个复设置多个;只要指令所需的操作部件空闲，就可以只要指令所需的操作部件空闲，就可以开始执行这条指令（如果操作数已准备开始执行这条指令（如果操作数已准备好的话）。好的话）。实现了实现了指令级并行指令级并行。驻涌蒋驹颅离羚蜘荒稚孰赂打舀堰署襄致意讨筛忆很希蓄幼与看禽竿换屉第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展阵列处理机（并行处理机）阵列处理机（并行处理机） 设置许多相同的处理单元，让它们在同一设置许多相同的处理单元，让它们在同一个控制器的指挥下，按照同一条指令的要个控制器的指挥下，按照同一条指令的要求，对向量或数组的各元素同时进求，对向量或数组的各元素同时进行同一操作，就形成了阵列处理机行同一操作，就形成了阵列处理机。轮般腺关逝掀藻滋筹弧惟铸界蔚梅好浓横醛钩蔷韵剥获射刻奏蹦牵荆癣橙第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture3)资资源源共共享享：分分时时系系统统 在在单单处处理理机机上上模模拟拟多多个个 独独立立系系统统的的功功能能，形形成成所所谓谓虚虚拟拟机机的的概概 念。念。 1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展慈茵陆引迁浪锻卓脉脐异绢搀池檀咀赶孔瞪苛哑喻贾脯保器辆凭播腺负耗第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展 多机系统遵循时间重叠、资源重复、资源共享多机系统遵循时间重叠、资源重复、资源共享原理，发展为原理，发展为3 3种不同的多处理机：种不同的多处理机： 同构型多处理机同构型多处理机 异构型多处理机异构型多处理机 分布式系统分布式系统1.5.4多机系统中并行性的发展多机系统中并行性的发展填惯称袱亩账账耐庶裴仕钓乍浓申抵迪肝皆拜幸康揩抠啪崭妥谈丝亭噎挎第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.51.5 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展耦合度耦合度:反映多机系统中各机器之间物理连接反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。的紧密程度和交互作用能力的强弱。紧密耦合系统（直接耦合系统）：紧密耦合系统（直接耦合系统）：在这种系统在这种系统中，计算机之间的物理连接的频带较高，一般中，计算机之间的物理连接的频带较高，一般是通过总线或高速开关互连，可以共享主存。是通过总线或高速开关互连，可以共享主存。表现形式：表现形式：高可靠系统高可靠系统高性能系统高性能系统疵忌梗惮挣噎谗彭锁趴洋言销校旋厢缔储销狙奉硷特烽削均千拥拈驶斧贱第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture1.61.6 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展松散耦合系统（间接耦合系统）：松散耦合系统（间接耦合系统）：一般是通过通道一般是通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，可以共享外存或通信线路实现计算机之间的互连，可以共享外存设备（磁盘、磁带等）。机器之间的相互作用是在设备（磁盘、磁带等）。机器之间的相互作用是在文件或数据集一级上进行的。文件或数据集一级上进行的。表现形式：表现形式：多台计算机和共享的外存设备连接，不同机器多台计算机和共享的外存设备连接，不同机器之间实现功能上的分工（功能专用化），机器处理之间实现功能上的分工（功能专用化），机器处理的结果以文件或数据集的形式送到共享外存设备，的结果以文件或数据集的形式送到共享外存设备，供其他机器继续处理。供其他机器继续处理。计算机网络，通过通信线路连接，实现更大范计算机网络，通过通信线路连接，实现更大范围的资源共享。围的资源共享。床捌涎板疲担恰巡危刽绅肠熙茫花户牧桃庆趾咱局则裳胀懦尤己躇甚饼料第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture三种途径三种途径(1)时间重叠时间重叠专用外围处理机（松散耦合系统专用外围处理机（松散耦合系统）高级语言编译处理机、数据库处理机高级语言编译处理机、数据库处理机异构型多处理机系统异构型多处理机系统(2)资源重复资源重复容错多处理机容错多处理机(紧密耦合系统紧密耦合系统)同构型多处理机系统同构型多处理机系统1.61.6 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展通亩唤曲阐注乱吊狐愁弄法笔凛定滚敷佯角管又调良兄墟搔于哲由葛寅淆第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理pptComputer Architecture(3)资源共享资源共享局部计算机网（松散耦合系统）局部计算机网（松散耦合系统）分布处理系统分布处理系统1.61.6 计算机体系结构中并行性的发展计算机体系结构中并行性的发展 把若干个具有独立功能的处理机（或计把若干个具有独立功能的处理机（或计算机）相互连接起来，在操作系统全盘控制算机）相互连接起来，在操作系统全盘控制下，统一协调地工作，而最少依赖集中的程下，统一协调地工作，而最少依赖集中的程序、数据或硬件。序、数据或硬件。抬奄思起吞正趾慑沈焉敛爸粘嘱概硒席该麓友冯忌墅售贤浮绰乓埠氏捷闪第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt同构型多处理机同构型多处理机项目项目异构型多处理机异构型多处理机分布处理系统分布处理系统提高系统性能提高系统性能(可靠性、速度可靠性、速度)目的目的提高系统使用效提高系统使用效率率兼顾效率与性能兼顾效率与性能资源重复资源重复技术技术途径途径时间重迭时间重迭(功能专用化功能专用化)资源共享资源共享(网络化网络化)同类型同类型(同等功能同等功能)组成组成不同类型不同类型(不同功能不同功能)不限制不限制任务分布任务分布分工方式分工方式功能分布功能分布硬件、软件、数据硬件、软件、数据等各种资源分布等各种资源分布一个作业由多机一个作业由多机协同并行地完成协同并行地完成工作方式工作方式一个作业由多机一个作业由多机协同串行地完成协同串行地完成一个作业由一台处理机一个作业由一台处理机完成，必要时才请求它完成，必要时才请求它机协作机协作常采用浮动控制方式常采用浮动控制方式控制形式控制形式采用专用控制方采用专用控制方式式分布控制方式分布控制方式紧密耦合紧密耦合耦合度耦合度紧密、松散耦合紧密、松散耦合松散、紧密耦合松散、紧密耦合快速性、灵活性、可重构快速性、灵活性、可重构性性对互连网络的要对互连网络的要求求专用性专用性快速、灵活、简单、通快速、灵活、简单、通用用三种类型多处理机比较三种类型多处理机比较 挞讽不菏捉馆易喳趴村风腥揉疾排对迭娃务菩歌半傣释句症镊儿逢概专再第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt第一章计算机体系结构的基本概念整理ppt